典型沥青路面动力行为及其结构组合优化研究

发布时间：2019-05-14 07:47

【摘要】：沥青路面是我国高等级路面的主要结构形式,在公路交通发展中占有举足轻重的地位。然而,公路运输的高速、重载化需求日益加剧与路面使用寿命严重不足两者间的矛盾,成为制约高速公路发展的难题。其中一个重要原因在于,我国目前采用的静力学路面设计体系难以准确评价路面的实际受力状态,自然无法合理解释并有效抑制路面的早期破坏。因此,开展不同类型沥青路面结构的动力行为研究,对探究路面损坏机理、优化路面结构组合,进而提高路面使用寿命具有重要意义。本文通过文献阅读、资料分析,在系统回顾、评述沥青路面设计方法、路面动力学理论及试验研究进展的基础上,充分考虑我国沥青路面结构特点和工程环境,以半刚性、倒装式及组合式三种典型沥青路面为研究对象,对沥青路面材料的动态模量、路面结构实测动态响应规律以及基于数值模拟手段的路面动力行为等进行了较系统的研究,论文主要研究工作及成果如下：首先,通过系统文献阅读及资料分析,从路面材料应力-应变特性、动态模量试验方法、经验预估模型及参考取值范围等方面入手,较系统地分析了路面结构中路基土与粒料、无机结合料稳定材料以及沥青混合料在动态荷载下的材料特性。并针对SMA-13、AC-20、AC-25三种沥青混合料开展单轴压缩动态模量试验,获得了沥青混合料动态模量和相位角随温度和时间的变化规律,并结合动态模量主曲线和时间-温度移位因子分析结果,论述了黏弹性材料对于荷载频率及环境温度的敏感性,进一步将材料在特定条件下的动态模量值拓延至更加广泛的时温空间,全面描述了沥青混合料的黏弹性材料性质。其次,以层底动态应变作为评价参数,开展基于车辆加载试验的沥青路面动力响应研究,获取了半刚性、倒装式和组合式三种典型沥青路面的动态响应特征,揭示了路面结构形式、车辆荷载大小、车速、轴型、胎压以及气候环境因素对路面动态应变响应的影响。同时,采用交互正交试验设计考察了路面温度、车辆轴重、车速以及各因素间的交互作用对面层层底应变的影响显著性,在此基础上选取对于应变响应影响高度显著的因素作为白变量,通过多元回归分析构建了沥青路面面层底应变响应的预估模型。并从工程应用角度出发,利用实测应变响应量进行了不同类型路面沥青层疲劳寿命的对比分析。第三,以现场试验路段为载体,结合路面结构的实测路表弯沉及层底应变响应参数,研究了不同结构类型沥青路面在FWD荷载作用下的动态弯沉盆性质以及动态应变响应变化规律。并对FWD荷载下的应变响应实测数据与路面温度进行回归分析,确定了不同沥青路面应变响应的温度修正系数,实现了实测路面温度下应变响应向标准参照温度条件的转换。同时,基于面层层底应变等效原则,讨论了FWD荷载与行车荷载作用的对应关系,建立了可表征不同级位FWD荷载与标准轴载行车荷载效应相互对应关系的线性拟合方程。采用灰熵分析法,确定了不同路面结构弯沉盆参数与沥青路面面层底动态应变的关联性大小,并结合多元线性回归分析建立了基于动态弯沉盆参数指标的面层层底应变预估模型。最后提出了FWD荷载作用下沥青路面动态应变响应的评定方法及分析步骤。第四,利用有限元软件ABAQUS建立了沥青路面结构动力响应三维有限元模型,并基于实测数据完成模型的合理性验证。以路表弯沉、沥青层底弯拉应变、无机结合料层底弯拉应力、路基顶压应变、面层剪应力作为关键力学指标,通过动态与静态响应间的对比分析,确定了路面动力与静力力学行为间的差异,明确了动力力学行为分析的重要意义。并从车辆荷载轴重、车速、轴型以及水平荷载效应等方面分析了车辆荷载参数对于路面动力响应的影响,全面评价了不同形式动态荷载效应影响下沥青路面的动力行为特征。最后,通过数值仿真方法开展了典型沥青路面结构的结构组合分析,提出了不同类型路面的关键控制指标,并通过路面结构参数与路面结构各动力响应量之间的相关性分析,确定了两者之间的正、负相关性及其影响程度大小,结合不同沥青路面的结构行为关键控制指标分析结果,总结出通过结构参数调整改善路面受力状态的有效途径,可为不同类型的沥青路面优化设计提供参考。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U416.217

【参考文献】